Maruntirea materialelor solide

MARUNTIREA MATERIALELOR SOLIDE

1.Definirea operatiei :

În procesele tehnologice din industria alimentara se impune ca produsele folosite

sa fie maruntite.

Maruntirea este operatia de reducere a dimensiunilor geometrice a particulelor prin distrugerea integritatii lor fizice, ca urmare a actiunii mecanice asupra materialului.

În functie de forma finala a particulelor procesul de maruntire are urmatoarele denumiri :

maruntire propriu-zisa, cand particulele finale au o forma determinata, in care intra procesele ca : sfarmare, concasare, spargere, macinare, dezintegrare;

taiere si tocare.

Maruntirea materialelor se realizeaza prin :

concasare, macinare, taiere, dezintegrare - pentru solide;

pulverizare, emulsionare - pentru lichide;

dispersare - pentru gaze.

Scopul procesului

Maruntirea se aplica pentru :

a)       accelerarea unor operatii fizice (dizolvari, uscari) sau a unor operatii chimice si de transfer de caldura sau de substanta.

b)       obtinerea unor constituenti dintr-un agregat, de exemplu separarea endospermului cerealelor de invelis, decorticarea care ulterior sunt separati prin sortare.

c)       asigurarea unei amestecari mai bune a unor produse cu altele.

d)       facilitarea comercializarii produselor.

Aplicatiile operatiei in industria alimentara se regaseste in toate ramurile acesteia : moraritul, zaharului, a conservelor, a amidonului, alcoolului, berii, vinului, etc.

2.1.Proprietatile solidelor

Un element produs alimentar care constituie materia prima se caracterizeaza prin : suprafata, dimensiunea liniara, structura, friabilitate, duritate si rezistenta la compresiune.

a)     Dimensiunea liniara poate fi diametrul sau latura pentru sfera, respectiv cub sau o dimensiune medie fictiva in cazul formelor neregulate.

Pentru un ansamblu de particule, intereseaza dimensiunea medie si dimensiunea limita. Dimensiunea medie reprezinta dimensiunea particulelor care au ponderea cea mai mare in amestec. Dimensiunea limita a particulelor este dimensiunea celor mai mari sau celor mai mici particule din amestec.

b)     Suprafata care intereseaza este cea exterioara, uneori si suprafata interstitiala (a golurilor). Aceasta se estimeaza la particulele cu forma nedefinita. În cazul unui amestec polidispers de particule suprafata este suma suprafetelor individuale, iar suprafata specifica este suprafata unitatii de masa sau de volum.

c)     Structura materialelor poate fi : omogena sau neomogena. În cele mai frecvente cazuri este neomogena.

d)     Duritatea este proprietatea care exprima taria relativa a materialelor solide. Acestea se clasifica dupa scara de duritate Mohs in :

moi avand s_compresie ≤ 10⁷ Pa

semimoi : s_c = 10⁷ ÷ 5·10⁷ Pa

dure : s_c > 5·10⁷ Pa

Majoritatea materialelor intalnite in industria alimentara sun moi sau foarte moi de exemplu :

moi (zahar, cereale, oase)

foarte moi (sfecla, carne, legume, etc.)

e)     Distributia particulelor dupa dimensiuni. În functie de natura materialului si gradul de maruntire, fractiunea cu dimensiunea ce apare cu frecventa maxima se numeste moda.

3.Factorii care influenteaza operatia de maruntire

Eficienta operatiei de maruntire inseamna transformarea cu consum de energie minim si cu productivitate maxima a unu material solid dat intr-un produs pulverulent sau granulat de dimensiuni si forma impuse. Realizarea acestui scop depinde de o gama variata de factori :

a)     Umiditatea - de obicei este un factor negativ cu efecte nefavorabile asupra procesului de maruntire.

b)     Finetea pana la care materialul este maruntit micsoreaza productivitatea si mareste consumul de energie, deci costul operatiei.

c)     Gradul de maruntire (m) depinde de tipul masinii si de marimea bucatilor obtinute.

in care :

d₁ - dimensiunea materialului initial;

d₂ - dimensiunea produsului.

Pentru bucati mari m=2-25, iar la micsorarea dimensiunii de maruntire se poate ajunge la m=150 (maruntire in mai multe etape).

Procedee de realizare

Fig.1 Procedee de realizare a maruntirii

5.Scheme de realizare a operatiei de maruntire

a)    

Maruntirea discontinua : produsul initial este introdus in moara si macinat in timp determinat pana ajunge la dimensiunea dorita. Procedeul este rar utilizat, obtinandu-se mult praf (component marunt).

b)    

Maruntirea continua in circuit deschis. Materialul trece o singura data prin moara sau succesiv prin mai multe unitati de macinare. Rezulta de obicei un produs neuniform; consumul de energie este mare.

c)     Maruntirea continua in circuit inchis

Fig.2 Schema maruntirii continue in circuit inchis

Schema maruntirii in circuit inchis : a - transportor cu elevator;

b - antrenare pneumatica.

Maruntirea poate fi pe cale :

uscata (cel mai frecvent utilizata)

umeda (in prezenta apei), la maruntirea porumbului in industria amidonului si a maltului in industria berii

6.Clasificarea masinilor de maruntit

În functie de natura materiei prime supuse maruntirii.

6.1.Masini de taiat

a)     În functie de tipul de cutit utilizat :

masini cu cutite in forma de disc;

masini cu cutite plane de diferite forme;

masini cu cutite de tip stea.

b)     În functie de marimea bucatilor taiate :

masini pentru taierea in bucati mari (maruntire grosiera);

masini pentru taierea in bucati medii;

masini pentru taierea in bucati mici (masini de tocat fin).

c)     În functie de constructie si mod de montare a cutitelor :

masini cu cutite montate pe discuri rotative (cu cutite plane de diverse forme);

masini centrifugale, avand cutite plane, taierea realizandu-se sub actiunea fortei centrifuge;

masini cu cutite disc (orizontale, verticale) pentru tocat legume, fierastraul circular;

masini cu cutite plane de diferite forme (cuterul, fierastraul plat);

masini cu cutit tip stea (wolful);

masini cu mai multe tipuri de cutite (masinile de taiat slanina).

6.2Masini de maruntit propriu zise. Se clasifica in functie de :

a)     Gradul de maruntire al materialului :

masini ce executa operatia de concasare : concasarea primara m=3÷4, d₁=1500-300mm, d₂=500-100mm; concasarea secundara m=5-7, d₁=100-25mm, d₂=25-5mm;

masini ce executa operatii de macinare - maruntire pentru materiale dure : grosiera m=10, d₁=5-0,8mm, d₂=0,6-0,08mm; fina m=15, d₁=1,2÷0,15mm, d₂=0,06÷0,01mm;

dezintegrarea pentru materiale moi : grosiera m=20, d₁=12,5-1,7mm, d₂=0,6÷0,08mm; fina m=50, d₁=4÷1,5mm, d₂=0,1-0,01mm.

b)     Viteza relativa a organului de maruntire : mica, medie, mare.

c)     Principiul de functionare si caracteristicile constructive :

concasoare cu falci;

concasoare cu mori cu cilindrii;

colerganguri (mori chiliene) cu pietre verticale;

mori prin lovire, mori cu ciocane, dezintegratoare, mori cu bile.

7.Mori cu cilindrii (valturi)

Morile cu cilindrii sunt utilizate aproape in toate subramurile industriei alimentare. Cilindrii in miscare de rotatie in sens de intampinare, actioneaza prin strivirea materialului, strivire combinata uneori cu taiere, cu rupere sau forfecare, dupa cum suprafata cilindrilor este neteda, striata sau are colti si viteza periferica este egala sau diferita.

7.1. Clasificarea este in functie de trei criterii :

a)     În functie de modul de montare al lagarelor :

mori cu lagare : fixe, mobile, fixe si mobile

b)     În functie de natura suprafetei cilindrilor :

mori cu cilindrii netezi, riflati (striati), dintati

c)     În functie de numarul cilindrilor (fig.3) : cu un singur cilindru(a); cu doi cilindrii avand axele in acelasi plan orizontal(b), in planuri orizontale diferite(c), sau masini cu trei cilindrii si doua macinatori(d); masini cu doua perechi de cilindrii riflati sau netezi realizand doua macinaturi succesive(e) : masini cu cinci cilindrii in acelasi plan vertical sau in doua plane verticale diferite(f).

a) b) (c

e)

d) f)

Fig.3 Clasificarea morilor cu cilindrii

7.2 Elemente de calcul

Dimensiunile caracteristice de mori cu valturi sunt : diametrul cilindrilor D, lungimea L, distanta dintre cilindrii 2a, unghiul de prindere α si turatia n.

Unghiul de prindere α este unghiul format intre tangentele duse in punctele de contact ale particulei sferice cu suprafata laterala a cilindrilor, peste care, materialele in loc sa fie prinse aluneca (fig.4).

Fig.4 Elemente de calcul

Consideram o particula de diametru d supusa strivirii intre valturi. Forta F de apasare a valturilor asupra particulei se descompun in F₁ si F₂. În mod analog forta d frecare F_f se descompune in F_f1 si F_f2.

Pentru ca particula sa poata fi prinsa si maruntita F_f1 > F₁ sau F_f · cos> F · sininsa forta de frecare F_f = f · F => tg < f sau α < 2ρ in care f coeficientul de frecare f = tg ρ, ρ unghi de frecare.

Pentru materialele obisnuite f = tg ρ = 0,3 adica ρ ≤ 17°, deci α < 34°.

În practica valoarea α se micsoreaza pe masura ce creste D si (2a) distanta dintre cilindrii.

7.3.Legatura intre D (diametrul tavalugului) si d (diametrul particulei)

sau la limita in conditii

de prindere (α = 34°, cos = 0,956, α < 2ρ, d < d_max)

, ;

Fig.5 Legatura intre D si d

Deoarece raportul << 1, se neglijeaza rezulta D > 20d.

Morile cu valturi Toplet au diametrele D = 220 mm si D = 250 mm. Se utilizeaza si cilindrii cu D = 300 si 350 mm care au un efect important la macinarea secarei.

7.3 Turatia optima a cilindrilor

La o turatie foarte mare a cilindrilor incep sa apara forte de inertie, particule de material alunecand, iar la turatii mici scade productivitatea.

Profesorul Levenson, pe baza calculului fortelor centrifuge ce se nasc la rotirea cilindrilor a propus relatia pentru turatia maxima n_max :

rot/min r = tg ρ - coeficient de frecare

Turatia uzuala este n = 70÷80% din n_max. Masinile de morarit de constructie romaneasca au turatia cilindrilor de 350 rot/min, la diametrul D = 250mm si lungimea L de 600, 800 si 1000mm.

7.4 Productivitatea

Debitul volumetric la trecerea in flux dens a materialului :

Q_V = 2π·D·L·a·n [m³/s]

Debitul volumetric real se considera :

, μ = 0,2-0,4 (coeficient ce arata ca materialul nu curge in flux continuu), sau productivitatea masica : Q_m = 2π·μ·D·L·a·f_m·n [K_g/s].

8.Masini de taiat sfecla de zahar

Dimensiunea taiteilor - lungime 22-25mm clasica; 9-10mm continua, latime 3-5mm, grosime 1mm.

a)Masina de taiat sfecla cu disc

Tab.1 Elemente comparative la masinile de tocat cu disc

a)     Masina centrifugala : caracteristici

diametrul cilindrului vertical fix 1200mm

turatia spiralei masinii 100-120 rot/min

viteza periferica maxima a spiralei 8,3 m/s

productivitatea pe 1 m.l. cutit 280 t/mh

b)     Masina de taiat cu tambur orizontal in manta fixa - se roteste intr-o manta fixa

Caracteristici :

nr. de cutite pe port cutit - 3 randuri a 2 cutite

nr. de alveole pe port cutit - 8

nr. total de cutite - 48

turatia tamburului - 80 rot/min

viteza tangentiala - 5 m/s

debitul de alimentare - 600-800 t/24h

9. Tipuri de mori

curatire pentru cilindrii rifluiti ; 14 racord evacuare

Fig.6 Valtul dublu automat VDA-1025